蘇鵬海，齊廣平，康燕霞，王金恒，張正蘋，李曉敏，蔡玲惠，趙 敏

(1.甘肅農業(yè)大學 水利水電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站，甘肅 景泰 730400)

0 引 言

水分是作物生長發(fā)育不可或缺的資源，直接影響作物的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和水分利用效率[1]等指標。水分過多或不足均會改變植物細胞結構、根系透氣性和降低植物細胞酶活性[2]，改變植物光合日變化進程，降低植物光合速率，從而對植物生物量的積累造成影響[3,4]，尤其在西北干旱區(qū)是制約農業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展的首要因素。甘肅引黃灌區(qū)枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但枸杞單作模式下田間地表覆蓋度低，加之該地區(qū)以漫灌為主，大量棵間無效蒸發(fā)引起耕作層鹽分聚集，次生鹽堿化問題愈演愈烈，導致水土資源浪費嚴重[5,6]，因此優(yōu)化枸杞種植模式，勢在必行。已有研究表明林草間作可提高水分利用率、創(chuàng)造適宜作物生長發(fā)育的土壤水分環(huán)境[7]，同時還具有蓄水保土、降低肥料投入[8]、減少田間雜草和病蟲侵害[9]、增加土壤微生物種類及其活性[10]、增產(chǎn)增收改善品質[11]等優(yōu)勢。

林草間作系統(tǒng)中，由于樹冠的遮陰、種間競爭等作用，使得林間光強、空氣濕度、土壤溫度和含水量等小氣候環(huán)境因子改變，必然對牧草的生長造成影響。為促進林草間作能夠長期、高效地發(fā)展，探討林間小氣候對牧草生長的影響顯得十分重要。但長期以來，研究者們均以高大林木下間作牧草為研究對象，主要集中在分析間作系統(tǒng)根系分布及生長動態(tài)[12]、土壤水分環(huán)境及效益[13,14]。如巨桉樹可以減少林下牧草接收到的有效輻射，減少地表溫度極端分布，為牧草生長提供良好的生長環(huán)境[15]；黃土丘陵區(qū)農林復合系統(tǒng)經(jīng)營模式使光能利用率達到0.62%～0.67%[16]，在矮小樹型灌木對牧草光合作用影響的研究較少。因此，本研究以枸杞和苜蓿為研究對象，明確枸杞-苜蓿間作模式下調虧灌溉對苜蓿光能利用能力的影響，揭示間作和調虧灌溉對苜蓿光能資源利用的影響機理，以期為西北干旱地區(qū)高效節(jié)水和水土地資源合理利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在甘肅省景泰川景電管理局灌溉試驗站(37°23′N、104°08′E)進行，試驗地屬溫帶干旱型大陸氣候，年日照時數(shù)2 652 h，年平均輻射量6.18×105J/cm2，年平均氣溫8.5 ℃，無霜期191 d，多年平均降水量185 mm、蒸發(fā)量3 028 mm。土壤類型為壤土，干容重1.61 g/cm3，田間持水量為24.1%(質量含水量)，速效氮74.51 mg/kg，速效磷26.31 mg/kg，有機質1.32 g/kg，pH值8.11。

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素設計：苜蓿種植模式設幼齡期枸杞間作苜蓿和單作苜蓿兩種；水分調虧(對土壤含水量設定下限范圍，以田間持水量的百分比計，灌水上限為田間持水量)設：充分灌溉(75%～85%)、輕度調虧(65%～75%)、中度調虧(55%～65%)、重度調虧(45%～55%)四個處理。共8個處理組合，每個處理組合設置3次重復，共計24個試驗小區(qū)，具體試驗設計見表1。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design

為確保種植苜蓿成活率，保證試驗初始條件一致，苜蓿第一茬的生長時間段中，所有處理充分灌溉，第二茬開始進行水分調虧。土壤水分測定范圍為0～100 cm，當各處理測定范圍內土壤質量含水量平均值處于設定下限范圍時開始灌水，計劃濕潤層深度為60 cm。灌水方式為小畦灌溉，各小區(qū)鋪設灌水管道，安裝閥門水表(精度0.000 1 m3)控制灌水。各小區(qū)面積為45 m2(7.5 m×6.0 m)，相鄰小區(qū)間布設防水膜，埋深120 cm。枸杞(2017年4月，寧杞1號，兩年苗木)南北行向栽植，株距150 cm，行距300 cm，苜蓿(2017年4月，紫花苜蓿，甘農3號)距枸杞樹干30 cm南北行條播，行距30 cm。其他管理措施與當?shù)罔坭椒N植保持一致。

1.3 測定項目及方法

(1)苜蓿光合測定。在第二茬苜蓿初花期，選擇晴朗無云的天氣，采用Li-6400便攜式光合作用測定儀測定苜蓿葉片光合作用，連續(xù)測定3 d，測定時間為9∶00-11∶30。設定溫度為25 ℃，CO2濃度為380 μmol/mol，光合有效輻射PAR為：0、20、50、80、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500、2 000 μmol/(m2·s)，分別測定主莖上從頂部向下第4片完全展開葉的光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導度Gs和胞間CO2濃度Ci等指標；繪制光合作用的光響應曲線(Pn-PAR曲線)，對弱光[PAR<400 μmol/(m2·s)]部分運用一元非線性回歸模型擬合，分析計算表觀量子效率AQY、最大光合速率Pnmax、光飽和點LSP、光補償點LCP和暗呼吸速率Rd。

(2)苜蓿莖、葉含水量與莖葉比。在第二茬苜蓿初花期，每個小區(qū)選取10株苜蓿，立即進行莖葉分離后用電子天平(0.01 g)稱重，莖葉分裝后帶回實驗室，105 ℃的殺青15 min，65 ℃烘干至恒重，冷卻后取出稱重，計算莖、葉含水量與莖葉比。

(3)苜蓿地上生物量測定。在第二茬苜蓿初花期，每個小區(qū)選取長勢均勻的樣方(1 m×1 m)，留茬高度5 cm刈割，帶回實驗室在105 ℃烘箱中殺青15 min，65 ℃下烘干至恒重，冷卻后取出用電子天平(0.01 g)稱重，得到單位面積生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)整理和繪圖；使用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差(one-way ANOVA，P<0.05)分析，并用最小顯著法(Duncan's)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 間作與調虧灌溉對苜蓿光響應特征參數(shù)的影響

表2為間作和調虧灌溉下苜蓿光合作用的光響應特征參數(shù)。由表2分析可知，同一種植模式下，隨著調虧程度的降低，苜蓿葉片的表觀量子效率AQY、最大光合速率Pnmax和光飽和點LSP呈下降趨勢，而光補償點LCP和暗呼吸速率Rd呈上升趨勢。表觀量子速率在J2、J3、J4、D2、D3和D4處理下分別比D1下降7.31%、17.07%、29.26%、7.32%、14.63%和36.58%，差異顯著；最大光合速率在J2、J3、J4、D2、D3和D4處理下分別比D1降低14.24%、29.75%、51.60%、14.42%、33.05%和24.19%，差異顯著；光補償點在J2、J3、J4、 D2、D3和D4處理下分別比D1增加27.85%、56.16%、80.00%、31.45%、57.91%和82.52%差異顯著；暗呼吸速率在J2、J3、J4、D2、D3和D4處理下分別比D1增加12.55%、20.78%、32.46%，差異顯著。相同水分處理時，不同種植模式間苜蓿的以上指標均沒有顯著性差異。

表2 不同處理下苜蓿光合作用—光響應特征參數(shù)(±標準差)Tab.2 Light response characteristic parameters of alfalfa under different treatments (mean±SD)

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 間作與調虧灌溉對苜蓿葉片光合速率的影響

圖1是間作和調虧灌溉下苜蓿葉片光合速率Pn的光響應過程。從圖1分析可知，各處理Pn總體隨光照強度的增加而增加，達到飽和后開始降低。光照強度在不同范圍，各處理的光合速率變化不同，低于200 μmol/(m2·s)范圍時，Pn隨光強的增加而增加，差異不明顯；在200～800 μmol/(m2·s)范圍時，Pn隨光強的增加明顯，不同水分調虧之間的差異開始增大；大于800 μmol/(m2·s)時，隨光照強度增加，Pn增加速率減緩，達到光飽和點后開始降低。D1處理下Pn最高，和J1處理間差異不明顯，其他處理明顯降低。同一種植模式下，不同水分處理的苜蓿Pn差異明顯，隨調虧程度的降低而降低；相同水分處理時，不同種植模式間苜蓿Pn差異不明顯，表明水分對苜蓿Pn的影響大于間作枸杞產(chǎn)生的影響。

圖1 苜蓿葉片光合速率對不同光照強度的響應Fig.1 Response of photosynthetic rate of alfalfa to different light intensities

2.3 間作與調虧灌溉對苜蓿葉片蒸騰速率的影響

圖2是苜蓿葉片蒸騰速率Tr在間作和調虧灌溉下的光響應過程。由圖2分析可知，Tr變化趨勢與Pn變化趨勢相同，隨光照強度的增加而上升，到達飽和點后開始下降。Tr隨光照強度的變化率大致可劃分為3個區(qū)段，小于600 μmol/(m2·s)時，Tr隨光照強度增加而快速增長，在600～1 000 μmol/(m2·s)范圍內，Tr隨光照強度增加而緩慢增長，1 000～1 200 μmol/(m2·s)范圍為Tr達到峰值開始降低階段。同一種植模式下，不同水分處理的Tr差異明顯，隨調虧程度的降低而增大；相同水分處理時，不同種植模式間的苜蓿Tr差異不明顯，表明土壤水分的高低直接影響苜蓿蒸騰速率的高低。

圖2 苜蓿葉片蒸騰速率對不同光照強度的響應Fig.2 Response of transpiration rate of alfalfa to different light intensities

2.4 間作與調虧灌溉對苜蓿葉片氣孔導度的影響

圖3是間作和調虧灌溉下苜蓿葉片氣孔導度Gs的光響應過程。由圖3分析可知，Gs的變化趨勢與Tr、Pn變化趨勢相同，隨光照強度增加，各處理Gs大體均呈現(xiàn)先增后降趨勢。苜蓿葉片Gs在同一種植模式下，整體隨調虧程度的降低而增加，峰值增大，峰值出現(xiàn)點所對應光照強度增加。相同水分處理時，不同種植模式間苜蓿葉片Gs差異不明顯。綜合分析可知，水分調虧使氣孔開度減小，降低了蒸騰失水作用，隨氣孔開度減小，苜蓿葉片細胞氣體交換受阻，CO2供應不足，影響光合進行。

圖3 苜蓿葉片氣孔導度對不同光照強度的響應Fig.3 Response of stomatal conductance of alfalfa to different light intensities

2.5 間作與調虧灌溉對苜蓿葉片胞間CO2濃度的影響

圖4是苜蓿葉片胞間CO2Ci濃度在間作和調虧灌溉下的光響應過程。由圖4分析可知，當光照強度小于200 μmol/(m2·s)時，Ci隨著光照強度增加而急速降低，表明此階段葉片氣孔開度小，光合作用對細胞間的CO2消耗劇烈。當光照強度大于200 μmol/(m2·s)時，氣孔開度較大，葉片細胞與大氣氣體交換增加，Ci開始趨于穩(wěn)定。相同種植模式時，苜蓿在充分、輕度和中度調虧下，隨調虧程度的降低，胞間CO2濃度呈降低趨勢，這是由于較高的水分脅迫使葉片氣孔導度處于較低水平，細胞間CO2補充減少；重度調虧的胞間CO2濃度高于中度調虧，是由于重度水分脅迫下苜蓿葉片光合作用對細胞間CO2消耗減少。

圖4 苜蓿葉片胞間CO2濃度對不同光照強度的響應Fig.4 Response of intercellular CO2 concentration of alfalfa to different light intensities

2.6 間作與調虧灌溉對苜蓿地上生物量的影響

光合作用是植物生長的根本驅動力，是物質積累和產(chǎn)量形成的基礎。同一種植模式下，不同調虧灌溉處理的苜蓿葉片含水率、莖含水率、莖葉比、地上生物量差異顯著(表3)。苜蓿葉片、莖含水率、莖葉比和地上生物量均表現(xiàn)為隨調虧程度的降低而降低，與D1處理相比J2、J3、J4、D2、D3和D4苜蓿葉片含水率降低1.05%、2.01%、3.94%、1.42%、2.49%和4.84%，莖含水率降低3.05%、4.53%、9.85%、2.94%、4.60%和10.03%，葉片含水量降幅大于莖，說明葉片對水分調虧更敏感；莖葉比表現(xiàn)為J2、J3、J4、D2、D3和D4處理比D1降低2.87%、12.95%、25.17%、2.15%、15.11%和21.58%；地上生物量表現(xiàn)為J2、J3、J4、D2、D3和D4處理比D1降低6.73%、11.51%、22.49%、6.93%、11.01%和22.68%。相同水分處理時，不同種植模式之間苜蓿各項指標差異均不顯著。即在重度調虧下苜蓿莖葉比最小，地上生物量降低幅度最大，表明水分調虧抑制莖葉含水量，進而嚴重影響苜蓿的生長，抑制了苜蓿的干物質積累，從而使其地上生物量降低。

表3 不同處理下苜蓿地上生物量(±標準差)Tab.3 Aboveground biomass of alfalfa under different treatments (mean±SD)

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

水分和光照是影響植物光響應特征參數(shù)的主要環(huán)境因子。植物表觀量子效率AQY反應光合作用中植物對弱光的利用和轉化能力，光合作用受到抑制的一個表現(xiàn)是AQY降低，最大光合速率Pnmax和光飽和點LSP反應植物的光合潛力，其值越大說明光合作用潛力越大[17]。本研究中，苜蓿葉片AQY、Pnmax和LSP與調虧程度有明顯的相關關系，在兩種種植模式下均隨調虧程度的加劇而降低，說明土壤水分調虧導致了苜蓿葉片的AQY、Pnmax和LSP的降低，隨虧程度的加劇，苜蓿葉片對弱光的吸收、轉換、利用能力和光合作用潛力下降，即灌水下限在田間持水量的75%～85%范圍，苜蓿對弱光利用及光合作用達到最大，這與土壤水分對黃刺玫葉片的影響一致[18]。焦念元[19]研究發(fā)現(xiàn)，間作玉米的遮陰作用使花生的AQY提高，Pnmax和LSP降低，而本研究中間作枸杞對苜蓿的以上三個指標影響不顯著，可能原因是幼齡期枸杞冠幅和高度小，遮陰效果沒有達到顯著水平。暗呼吸速率(Rd)直接影響光補償點(LCP)對應的光照強度大小，Rd增強LCP后移，且在一定程度上，植物Rd的降低有利于植物光合產(chǎn)物的積累[20]。本研究中兩種種植模式下，苜蓿葉片Rd隨調虧程度的加劇而降低，差異顯著，水分處理一致時，間作枸杞對苜蓿葉片Rd影響不顯著，說明主要是由于水分調虧導致了苜蓿葉片Rd降低，間作枸杞對苜蓿葉片Rd影響不顯著。云文麗[21]對向日葵的研究中發(fā)現(xiàn)，水分脅迫會顯著影響向日葵的光響應特征參數(shù)，降低向日葵的光能利用范圍；蔡智才[22]對蘋果樹下花生研究發(fā)現(xiàn)，達到一定的遮陰程度時，花生的光補償點、光飽和點開始降低，且隨遮陰程度的增加影響加劇。綜上表明，水分是影響苜蓿光響應特征參數(shù)的主要環(huán)境因子，而幼齡期枸杞冠幅和高度小，對苜蓿光響應特征參數(shù)產(chǎn)生影響不顯著。

植物對水分脅迫有一定的適應性，通常水分脅迫對植物光合作用的影響主要分為兩個階段，當植物光合速率Pn、氣孔導度Gs、胞間CO2濃度Ci同升同降時，此階段植物光合速率降低的主要原因是氣孔因素，另一階段主要歸因于葉肉細胞光合活性的降低，即非氣孔因素限制為主[23,24]。在本研究的兩種種植模式下，充分、輕度和中度調虧下苜蓿Gs隨調虧程度的減弱而增加，峰值出現(xiàn)點所對應光照強度增加，光合作用增強，光能利用率增加，苜蓿葉片的Ci隨調虧程度的加劇而降低，重度調虧下苜蓿葉片的Ci高于中度調虧。表明灌水下限在田間持水量的55%以上，影響苜蓿光合作用的主要影響因素為氣孔限制，重度水分調虧對苜蓿葉片的光合活性產(chǎn)生影響，主要是導致苜蓿葉片的光合酶活性降低，這與趙琴[25]對枸杞的研究結論一致。高峻[26]對杏樹下紫花苜蓿的研究發(fā)下，由于杏樹遮陰，苜蓿接受到的光照強度減少28.0%～67.2%，光合速率隨遮陰強度增加而降低。本研究中，水分處理相同時，間作枸杞對苜蓿的光響應沒有產(chǎn)生明顯影響，表明間作枸杞對苜蓿的光合作用影響不明顯，水分調虧是造成苜蓿光合速率下降的主要原因。光合作用是物質積累和產(chǎn)量形成的基礎，水分脅迫會降低植物對光能的利用范圍，進而影響植物的生物量積累[27]。本研究發(fā)現(xiàn)相同種植模式下，隨著水分調虧加劇，苜蓿的莖、葉含水量減少，苜蓿的干物質積累減少，產(chǎn)量降低，與對水分對苜蓿光合作用的影響一致。在充分灌溉下苜蓿的光合能力最高，生物量積累最大。趙金梅[28]對紫花苜蓿生產(chǎn)性能研究發(fā)現(xiàn)，隨灌水量的增加苜蓿生產(chǎn)能力增強；Tosti[29]研究表明，在干旱半干旱地區(qū)對苜蓿進行充分灌水可以提高干草產(chǎn)量，且苜蓿干草產(chǎn)量與耗水量及灌水量呈顯著正相關關系。綜上表明，水分調虧造成了苜蓿光合作用下降，產(chǎn)量降低，而間作幼齡期枸杞的影響不明顯。

4 結 論

枸杞和苜蓿間作具有明顯的間作優(yōu)勢，間作幼齡期枸杞對苜蓿光響應特征參數(shù)、光響應過程和地上生物量影響均不顯著。兩種種植模式下，苜蓿光合潛力、光合速率和地上生物量隨調虧程度加劇而降低。苜蓿生長影響以水分為主，灌水下限在75%～85%范圍時，苜蓿的光合作用最強，產(chǎn)量最高。幼齡枸杞園內種植苜蓿為畜牧業(yè)提供優(yōu)質牧草，實現(xiàn)光能的高效利用，減少地表無效蒸發(fā)，具有明顯的經(jīng)濟、生態(tài)價值，有利于促進甘肅引黃灌區(qū)林草復合經(jīng)營的發(fā)展。

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